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      基于微服務架構的虛擬校園卡支付系統設計與實踐
      「在新的信息化和互聯技術建設階段,高校有必要對校園卡運行模式和應用方式加以進一步探索,虛擬校園卡支付是在實體卡支付之外,創建一套獨立的虛擬卡支付體系,實現線上、線下場景全覆蓋,為高校師生提供豐富的隨時隨地支付服務。文中針對虛擬校園卡條件下支付系統的新特征,提出以庫為主、聚合支付和微服務結合的支付系統設計方案。首先對微服務虛擬校園卡支付系統的特征進行分析,解構支付系統形成以支付技術中臺+支付業務中臺能力,實現多支付渠道對多支付業務擴展能力,實現業務的豐富和個性化延展能力;然后提出總體設計框架,并對支付渠道、支付路由及平臺功能進行了設計;最后介紹系統的部署及功能實現。實踐表明,校園支付與社會支付高度融合,是“互聯網+”校園應用的又一實踐,將對校園信息化建設起到積極的推動作用。(2023-2-25)」
      關鍵詞: 虛擬校園卡; 支付系統; 系統設計; 微服務架構; 特征分析; 系統部署
        中圖分類號: TN915?34; TP399                  文獻標識碼: A                       文章編號: 1004?373X(2020)18?0001?05
        Abstract: In the new stage of informatization and Internet technology construction, it is necessary for colleges and universities to further explore the operation mode and application mode of their campus cards. The virtual campus card payment is to create a set of independent virtual card payment system in addition to entity card payment, which can realize the full coverage of online and offline scenes, and provide rich payment services for college teachers and students anytime and anywhere. In allusion to the new features of the payment system of virtual campus card, a design scheme of payment system is proposed, which is mainly based on the database, and combines with aggregate payment and micro service. The features of micro?service virtual campus card payment system are analyzed, and the payment system is deconstructed to form the function of the payment technology middle platform + payment business middle platform, so as to realize the expansion ability of multi?payment channel to multi?payment business, and the ability of business enrichment and individuation extension. The overall design framework is proposed, and the payment channel, payment route and platform function are designed. The deployment and function realization of the system are introduced. The actual application results show that the high integration of campus payment and social payment is another practice of Internet plus campus application, which will play a positive role in promoting campus informatization construction.
        Keywords: virtual campus card; payment system; system design; micro?service architecture; ferture analysis; system deployment
        0  引  言
        校園卡是智慧校園建設的重要內容,隨著高校信息化的發展和移動支付的普及,校園卡平臺在迎來新發展機遇的同時,也面臨著一系列的挑戰[1]。傳統的校園卡平臺里,校園卡大多是實體卡,在實體卡上寫入各種用戶信息,實現“一卡在手,走遍校園”。過去,這種校園卡為人們帶來了很大的便利,但是隨著社會的發展、技術的進步,這種校園卡的弊端也越來越明顯[2]。
        我校校園一卡通系統始建于2010年,以校園卡為依托,建設了食堂消費、水控消費、門禁系統、圈存系統等15個應用。系統經過10年的發展日趨成熟,但在使用和管理的過程中,也逐漸暴露出越來越多的問題,如迎新季發卡壓力大、臨時卡發放管理難、以卡為準不支持在線并發、丟失卡/黑卡交易產生糾紛、水控消費無明細數據、校園卡丟失后小錢包資金無法找回等。為了徹底解決這些問題,在對現有傳統校園卡平臺存在的問題進行分析和反思的基礎上,啟動了新一輪的校園卡建設。   經過多次到兄弟高,F場調研,以及與相關生產企業的技術交流,最終確定了三大技術方向:一是實體卡與虛擬卡相結合[3];二是聚合支付[4];三是微服務架構[5?6]。虛擬卡解決的是多介質識別和應用場景的擴展問題,聚合支付解決的是多渠道支付和對賬難問題[7]。微服務架構具有服務內聚高、耦合度低、易擴展、易重構、高可靠性、高可維護性等特點,特別適合多服務、多并發的校園卡平臺。
        目前,很多校園一卡通平臺都逐漸開始向“微服務架構”轉變,向移動化、多元化、數據化服務轉變。在這個轉變過程中,原有支付系統無卡消費應用不足、新技術體驗不足[8?9],已經不能滿足系統功能的需要,對支付系統進行分析研究,設計建成適合本校實情的新一代支付系統,是校園卡系統升級能否成功的關鍵。
        1  微服務虛擬校園卡支付系統特征分析
        1.1  支付手段多元化
        虛擬校園卡是校園信息化的又一次重大革新,借助4G技術、聚合支付、生物特征識別、智能手機設備、APP等工具,提供滿足學校個性化管理、全業務場景覆蓋的解決方案,為學校信息化節約服務成本及提升服務效率,并且可以完善和擴展信息化服務生態[10],讓師生們在校內校外得到更好的生活和服務體驗。
        使用虛擬校園卡,用戶依靠手機二維碼可輕松通過各類門禁出入類和考勤簽到類終端,實現無感知智能識別。以在校師生智能手機為載體,以智能手機二維碼識別為依據,構建全校虛擬校園卡支付環境?梢栽谑謾C端完成充值,使用手機掃碼完成消費場景,構建校園無卡支付環境。依托系統的支付體系,可以實現無現金流通的校園支付環境。
        1.2  微服務賦能支付系統
        在校園支付場景中使用微服務架構,將支付寶、微信、銀聯等社會支付服務,以及對賬服務、消息通知、任務調度抽象為支付的基礎能力,并提供物聯網接入、身份認證服務、多場景支付等支付服務能力。除有效對接多種支付方式外,還減少了學校對各個支付場景各建一套收費系統的重復建設造成的資金浪費,并有效避免不同系統之間的“數據孤島”和信息割裂,實現數據的統一標準和管理,為后續開展數據分析、挖掘沉淀“數據資產”打基礎。
        在支付場景覆蓋方面可以按照業務域實現對支付場景細分,并為各類服務場景建立相關的微服務?蓪崿F一個基礎支撐平臺,全場景、多支付方式快速接入的實際業務需求,并且各支付場景微服務之間相互獨立,新的支付場景不影響、不依賴于原有支付場景,保障了校園師生用戶隨時隨地獲取服務的極致使用體驗。
        1.3  統一管控多方支付渠道
        在虛擬校園卡環境下,以卡為主的模式正在被以庫為主的模式取代,為開通更多的支付渠道提供了可能,支付寶、微信、云閃付、銀聯多個渠道的第三方支付手段都可以在學校校園卡系統中得到應用支持。
        支付渠道的增多必將增大校園支付系統的管理難度。傳統校園卡系統中,第三方支付渠道僅作為充值手段使用,尚存在對賬難問題[11]。在新一代校園卡系統中,第三方支付不僅能向校園卡賬戶充值,還可以直接進行消費,這將導致第三方賬務記錄的大幅增長,如果不采用技術手段加以統一管控,對賬難問題不但得不到解決,反而會進一步加劇嚴重程度,學校將無法有效地管理商戶,無法準確地掌握學生信息,更無法有效地限制外來人員,存在一定的安全管控隱患[7]。
        要滿足多種支付渠道對不同應用場景的支持,首先校園支付系統要實現統一的聚合支付管理,即任一支付方式支付后,后臺都可以進行結算;其次,增加身份驗證,判斷區別校外人員是否可以使用。
        2  系統設計
        2.1  總體框架
        支付平臺總體框架圖如圖1所示。
        基于微服務架構的支付系統,需要滿足最新智慧校園框架。系統整體可分為4層:基礎設施層、核心框架層、業務服務層和數據感知層,4層之間要達成“高內聚,低耦合”的體系要求[12]。支付體系作為中臺能力融合在支付平臺各層中,以體現微服務的水融式能力,可以滿足各業務場景使用。
        基礎設施層:該層主要是物理硬件,主要指學校的數據中心建設與校園基礎網絡等。系統應支持多樣化環境部署,校園網應支持多樣化網絡環境。
        核心框架層:平臺底層架構采用K8S技術和Docker容器技術,實現平臺業務處理能力的提升,提供高并發、高容錯、高性能的保障支持。
        業務服務層:該層主要是整個系統的核心服務,包括物聯網服務、核心服務、統一支付服務、開放服務、認證服務等,這些服務模塊各自獨立又緊密相連,共同為上層應用服務提供支撐。其中,統一支付服務作為中臺能力,給各應用場景提供支付接口,快速實現支付能力,支付服務封裝了支付路由、支付渠道對接、對賬等核心支付能力,通過支付中臺賦能,各應用場景實現無感支付。
        數據感知層:該層直面用戶,全面支持PC端和手機端,可能情況下支持生物特征(人臉識別、指紋識別等),多種支付方式(支付寶、微信、銀聯等),實現管理和服務的移動化、便捷化,支持用戶隨時隨地連接并使用系統。
        2.2  支付渠道設計
        在當今社會,支付方式越來越多樣化,除了傳統的現金支付、實體卡支付,移動支付也作為我國的新四大發明之一,在各種支付場景下發揮作用。除此之外,還有刷臉支付、指紋支付等生物特征支付也逐漸興起。
        為了實現統一的支付管理,需要在校園支付系統中實現虛擬卡,構建無現金校園支付體系,覆蓋校內校外,打通線上線下,為學校提供統一的支付中心、統一的結算中心。
        在虛擬卡中可以綁定多種支付渠道,現在常見的支付渠道包括支付寶、微信、云閃付,以及各個銀行的支付渠道等。選擇支付渠道時,需要根據用戶習慣和學校實際情況來設計,盡可能地使學校和用戶都滿意。
        建立支付渠道開通功能,學校增加一種支付渠道需要在后臺進行登記,結合支付渠道二維碼或生物特征標識類型,分配支付渠道ID,通過支付渠道ID來區分支付方式、結算和對賬。   2.3  支付路由設計
        設計支付路由的目的,在于讓用戶在支付時,系統可以智能地選擇最優的支付渠道,如圖2所示。一個好的支付路由,應該實現以下功能:
        1) 根據支付場景自動匹配出可使用的支付方式。
        2) 節省成本,哪個通道省錢,優先考慮哪個通道。
        3) 可靠的 QoS。
        4) 支持營銷,可優先選擇有優惠活動的通道。
        5) 降低運營成本。
        根據支付渠道的數量和路由規則的復雜程度,渠道路由的復雜性也不一樣。判斷引擎的處理邏輯如圖3所示[13]。
        配置N條路由規則及1條默認渠道。每條路由規則包含“條件”和“渠道”2個組成部分,條件由若干個條件維度組成,當滿足渠道的所有條件時則使用該渠道,如果遇到不能滿足的條件則進入下一規則判斷,直到找到符合所有條件的規則;如果所有渠道都不滿足,則使用默認渠道。
        從判斷引擎的處理邏輯中可以看出,判斷引擎實際上就是對不同路由規則的判斷,常用的路由規則包括:
        1) 產品類型:路由首先要考慮可以支持的產品。
        2) 費率:費率是路由的重要指標,不同的費率意味著不同的成本。
        3) 交易限額:不同渠道對應的交易限額一般是不同的,在進行路由選擇時,如果交易額大于渠道的交易限額,則對應渠道不應該顯示出來。
        4) 卡類型:渠道對信用卡、借記卡的支持情況。
        5) 通道的 QoS:渠道的暢通情況、并發性能、可靠性等都是路由考慮的因素。
        6) 到賬時效:對于轉賬,資金什么時候到目標賬戶,也是影響路由選擇的一個因素。
        2.4  支付應用設計
        根據師生使用習慣和學校支付管理要求,可以不同支付場景對應不同的支付應用,也可以場景用同一支付應用,支付應用一般由業務方來實現。比如餐飲消費場景,由于有補助、打折,以及不同商戶等業務較為復雜,需要單獨的支付應用;比如交黨費、團費就不需要支付應用,因為收費簡單只需要導入名單和金額,自動進行收費和結算,支付系統只為其提供實現支付業務的接口。在校園環境下,有很多的支付應用場景,如學雜費、網費、報名費等,不同的支付應用可以作為一個單獨的微服務,以滿足高峰支付時,能彈性擴展。
        2.5  支付平臺主要功能模塊設計
        支付平臺應具備以下主功能模塊:
        1) 系統管理。對系統參數進行配置管理,如服務器IP、地址等;為不同的用戶分配不同的角色,用以控制用戶的訪問權限;創建及維護操作員,可根據各部門需求,按不同權限分別創建操作員。
        2) 支付環境管理。以樹型結構形式對支付方式進行管理,可增加同級及下級支付方式;配置每種支付方式用到的相關參數信息;創建收單機構及完善收單機構信息,收單機構為樹型層次關系,支持增加同級和下級收單機構。
        3) 應用管理。支付分類即繳費的項目類型管理,如網費、電費等;對所有調用支付服務的應用進行管理,可增加、修改、綁定支付方式等功能;對支付方式權限進行維護,例如:某個收單機構下的某個應用可以使用哪些支付方式。
        4) 訂單管理。按條件查詢支付訂單;微信、支付寶、網銀等業務訂單,支持按條件查詢。
        5) 賬務管理。按照收單商戶進行每日交易匯總;按照每個商戶根據支付方式(微信、支付寶、現金、POS機、百度錢包等)統計時間段內每種支付方式的交易金額與交易筆數;每日商戶明細統計實現各個商戶每個應用每日的交易金額與交易筆數;收單機構每日對賬結果展示;對差賬的數據進行補單操作。
        3  系統部署及功能實現
        3.1  微服務平臺的搭建
        使用7臺2路服務器、2臺存儲、2臺萬兆交換機、2臺光纖交換機等作為整個校園卡系統的硬件資源,經虛擬池化后為包括支付平臺在內的相關應用系統提供支撐,平臺使用Docker來部署微服務應用,使用K8S來管理微服務。服務之間按高內聚、低耦合的原則來進行拆分,統一使用的服務作為一個單獨的微服務存在。
        新開普的新一代校園卡系統平臺,用戶界面采用Bootstrap技術,完全的富客戶端模式,界面風格清新、操作簡單、易用性強、交互性好、支持自定義顯示等功能,并且在PC端與手機端完美兼容,無需單獨購買產品即可滿足一卡通平臺移動辦公需要。
        3.2  支付場景建設
        根據前期對學校實際業務需要的調研,重點進行了3類支付場景建設:
        1) 充值繳費。在暫時保留現有現金、支付寶、網銀充值繳費的基礎上,本次重點引進了中國銀行的聚合支付網關,微信、支付寶、簽約銀行等都可通過聚合支付網關完成充值繳費,待條件成熟時再關閉現有獨立的支付寶、網銀支付通道,以實現平穩過渡。
        2) 消費類場景。通過部署消費終端,在食堂、商超、校醫院等處搭建消費場景,消費類場景支持正掃和反掃兩種模式[14]。正掃模式下,終端采用液晶顯示屏,顯示商戶的收款二維碼,用戶通過支付渠道APP中“掃一掃”功能掃描商戶的二維碼,連接支付系統,完成必要驗證后進行付款操作。反掃模式下,終端接掃碼頭或掃碼器,對準用戶出示的付款碼,獲取用戶信息,在系統進行必要驗證后經終端網絡進行收款操作。
        3) 人臉識別場景。虛擬校園卡將人臉識別也應用到了支付場景中,要實現人臉識別支付,系統中必須保存用戶的人臉信息,支付終端上必須有攝像頭。本文建立了統一的人臉圖像采集庫,在教工食堂安裝一體化的人臉識別終端。支付時,終端攝像頭拍攝人臉信息,通過人臉識別算法,比對系統中的人臉信息,確定當前用戶信息,從而實現用戶支付。
        3.3  聚合支付的實現
        基于微服務的虛擬校園卡需要支持多種支付渠道,如果在支付時每種支付渠道都生成一個支付碼,則每個商戶可能會需要對應多個支付碼(可以想象一下一個商戶收銀臺放一排收款碼的情形)。顯然,這無論對商戶還是消費的師生來說都是很不友好的。通過部署新開普的聚合支付掃碼器具,使用中國銀行的聚合支付網關,通過支付系統將多種支付渠道整合成一個收款碼,用戶在使用時不管使用哪個渠道支付都可以通過該收款碼進行,這樣既方便了師生用戶,也方便了商戶。   聚合支付包含正掃和反掃兩種方式。正掃是手機APP掃終端二維碼,二維碼實際上是一個包含URL,使用H5實現,手機掃碼之后,H5判斷掃碼的APP的內置瀏覽器標識,以確定該路由到哪個APP支付渠道進行支付處理,以及到后臺進行結算對賬。反掃方式是終端掃手機APP上展示的付款碼,終端根據二維碼的長度和特征來判斷該路由到哪個支付APP渠道進行支付處理,以及到后臺進行結算對賬。
        3.4  安全防護保障
        系統安全是任何系統都必須考慮的內容,在基于微服務架構的虛擬校園卡支付系統中,通過如下途徑實現安全防護:
        1) 虛擬卡算法安全。虛擬卡二維碼采用基于時間的一次性密碼算法(Time?based One?time Password Algorithm,TOTP),并采用3層安全解碼機制,輔以可靠的數據中心建設方案,充分保證系統的安全性。
        2) 虛擬卡脫網安全。虛擬校園卡為實時在線式應用模式,要求終端、移動端至少一方保持聯網狀態,但為應對雙方都斷網掉電的極端情況,系統采用了多種應急方案。智能終端支持網絡冗余機制,提供多種網絡接入方式,當一種網絡故障時,自動切換到可用網絡;終端配置大容量電池,在意外掉電情況下,可繼續使用一段時間;支持信用支付,在終端脫機、手機脫網情況下,使用有限度的信用支付。
        3) 終端安全。設備開通授權,保證設備接入合法性;設備具有簽到、簽退功能,保證使用人員合法性;設備交易驗證,保證交易雙方合法性;終端子網采用星型拓撲,保證單個終端故障不影響其他終端;建立數據存儲安全機制,保證交易數據不會被輕易竊取破解。
        4) 軟件安全設計。應用軟件系統滿足國家等保護要求,能防止非法用戶訪問,控制用戶訪問權限。同時,為防止在網絡上傳輸的敏感數據被截獲竊取,提供網絡數據傳輸的加密解密功能。
        5) 網絡通信安全。微服務架構下,各服務之間的網絡通信要比單體架構下多得多,因此保證網絡通信安全尤為重要。一方面,在保持鏈路冗余的同時,對金融消費類系統采用物理隔離組網,對非消費類系統使用VLAN技術進行邏輯隔離,保證鏈路安全,為系統穩定運行打好基礎[15];另一方面,采用了CA認證方案,使用X.509數字證書來保證系統接口安全,對網絡上傳輸的數據做加密處理,確保數據傳輸安全。
        6) 平臺設備安全。通過虛擬化技術對支撐平臺硬件進行池化處理,消除硬件單點故障,減少由于硬件損壞導致的宕機風險,提高平臺的穩定性和可靠性。
        4  結  語
        微服務架構下的虛擬校園卡支付系統,是為了適應虛擬校園卡條件下的多場景支付而設計的。它通過微服務可以將各種支付場景相互獨立,還可以對部分管理和支付服務進行“復用”。通過多種支付渠道和支付方式的支持,實現線上、線下場景全覆蓋。校內消費與社會支付高度融合,是“互聯網+”校園應用的又一實踐,將對校園信息化建設起到積極的推動作用。
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      (馬如)
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